據(jù)報道，人體內(nèi)的細(xì)胞通過分子通道發(fā)送和接收化學(xué)信號,，30多年前,，科學(xué)家們稱這一過程為“細(xì)胞信號傳導(dǎo)”?，F(xiàn)在，美國科學(xué)家首次確定,，一個生物化學(xué)信號通道的數(shù)據(jù)容量不足1比特,，細(xì)胞通過群體編碼相互“交談”。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上,。
上世紀(jì)80年代,，細(xì)胞生物學(xué)家確定了一些關(guān)鍵的信號傳導(dǎo)通道，其中包括核因子κB（NF-kB）,，但沿著這些通道行進(jìn)的化學(xué)信使攜帶多少信息一直是個未解之謎,。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、美國艾默里大學(xué)物理和生物學(xué)副教授伊利亞·勒門曼和約翰霍普金斯大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)副教授安德烈·列夫琴科于2007年就開始攜手合作,，試圖解決這個問題,。
列夫琴科研制出了微流路和測量技術(shù)，測量出了在NF-kB通道上一次出現(xiàn)在數(shù)千個細(xì)胞上的生物化學(xué)信號傳輸數(shù)量,。勒門曼推出了一個公式來分析和定量計算實驗結(jié)果,。結(jié)果顯示，該通道的信號容量不足1比特,，只夠做出一個二進(jìn)制決定：簡單的是或非,。NF-kB通道主要調(diào)控由細(xì)胞做出的各種復(fù)雜決定，對包括壓力,、自由基,、細(xì)菌和致命病原體等刺激做出反應(yīng)。除了NF-kB以外,，他們還分析了其他幾個生物化學(xué)通道的信號，結(jié)果一樣,。這表明,，數(shù)據(jù)容量不足1比特的生物通道很常見。
“NF-kB生物化學(xué)通道與一些復(fù)雜的功能有關(guān),，但其信息容量不足1比特,。這個簡單的結(jié)論改變了我們對細(xì)胞如何獲取化學(xué)數(shù)據(jù)的看法。這表明,，細(xì)胞無法只依靠該通道就做出決定,，因為它們無法得到足夠的信息。”勒門曼解釋道,，細(xì)胞無法通過信號傳導(dǎo)通道得到所有信息,，它們有時候會在這些已知通道外互相“交談”。單個細(xì)胞沒有足夠多的信息來考慮所有變量并決定是否修復(fù)某些組織,，但一群細(xì)胞能互相“交談”,，每個細(xì)胞提供一點信息，細(xì)胞們就能群策群力做出決定。這種現(xiàn)象名為群體編碼,，一直用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電活動方面,，勒門曼團(tuán)隊現(xiàn)在將這個過程應(yīng)用于生物化學(xué)通道。
勒門曼希望分析和比較一個癌細(xì)胞和一個正常細(xì)胞的信號傳導(dǎo)容量,。“癌細(xì)胞會在不應(yīng)該分裂的時候分裂,，這意味著它們正在做壞的決定。我們希望定量研究這個做決定的過程,，看看癌細(xì)胞是否和健康細(xì)胞擁有同樣的數(shù)據(jù)容量,。”（生物谷 Bioon.com）
doi:10.1126/science.1204553
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PMID:
Information Transduction Capacity of Noisy Biochemical Signaling Networks
Cheong, Raymond; Rhee, Alex; Wang, Chiaochun Joanne; Nemenman, Ilya; Levchenko, Andre
Molecular noise restricts the ability of an individual cell to resolve input signals of different strengths and gather information about the external environment. Transmitting information through complex signaling networks with redundancies can overcome this limitation. We developed an integrative theoretical and experimental framework, based on the formalism of information theory, to quantitatively predict and measure the amount of information transduced by molecular and cellular networks. Analyzing tumor necrosis factor (TNF) signaling revealed that individual TNF signaling pathways transduce information sufficient for accurate binary decisions, and an upstream bottleneck limits the information gained via multiple pathways together. Negative feedback to this bottleneck could both alleviate and enhance its limiting effect, despite decreasing noise. Bottlenecks likewise constrain information attained by networks signaling through multiple genes or cells.
